Ứng dụng lập trình điều khiển động cơ bước sử dụng chip ARM Cortex M3 STM32F103RC

MỤC LỤC
Lời Mở Đầu ...................................................................................................... 1
..

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CORTEX ........................................................... 3
1.1. Các phiên bản kiến trúc ARM ..................................................................... 3
1.2 Bộ xử lí Cortex và đơn vị xử lí trung tâm Cortex ........................................... 4
1.3 Đơn vị xử lí trung tâm Cortex (Cortex CPU) ................................................ 5
1.3.1 Kiến trúc đường ống (Pipline) ................................................................... 5
1.3.2 Mơ hình lập trình (Programmer’s model) ................................................. 5
1.3.2.1 Thanh ghi XPSR .................................................................................... 6
1.3.3 Các chế độ hoạt động của CPU ................................................................. 7
1.3.4 Tập lệnh Thumb-2.................................................................................... 8
1.3.5 Bản đồ bộ nhớ (Memory Map) ................................................................. 9
1.3.6 Truy cập bộ nhớ không xếp hàng (Unaligned Memory Accesses) ......... 11
1.3.7 Dải Bit (Bit Banding) ............................................................................. 12
1.4 Bộ xử lí Cortex .......................................................................................... 13
1.4.1 Bus ......................................................................................................... 14
1.4.2 Ma trận Bus ............................................................................................ 14
1.4.3 Timer hệ thống (System timer) ............................................................... 14
1.4.4 Xử lí ngắt (Interrupt Handling)............................................................... 15
1.4.5 Bộ điều khiển vector ngắt lồng nhau (Nested Vector Interrupt
Controller)........................................................................................................ 15
1.4.5.1 Nhập và thoát khỏi một ngoại lệ của NVIC (NVIC Operation
Exception Entry And Exit) ............................................................................... 16
1.4.5.2

Các chế độ xử lí ngắt cao cấp (Advanced Interrupt Handling

Modes)............................................................................................................. 17
1.4.5.2.1 Quyền ưu tiên ngắt (Interrupt Pre-emption) ..................................... 17

1.4.5.2.2 Kỹ thuật Tail Chaining trong NVIC ............................................... 17
1.4.5.3 Cấu hình và sử dụng NVIC.................................................................. 19
1.4.5.3.1 Bảng vector ngắt (Exception Vector Table)...................................... 19
1.5 Các chế độ năng lượng .............................................................................. 24


1.5.1 Cách đi vào chế độ năng lượng thấp của CPU Cortex ............................ 24
1.5.2 Khối hỗ trợ gỡ lỗi CoreSight ................................................................ 26
Chƣơng 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CỦA ARM CORTEX ........................ 28
2.1 Cấu trúc bộ nhớ ........................................................................................... 28
2.2 Tối đa hiệu năng.......................................................................................... 29
2.2.1 Vịng Khóa Pha (Phase Lock Loop) .......................................................... 30
2.2.2 Cấu hình cho bus ...................................................................................... 32
2.2.3 Flash Buffer ............................................................................................. 33
2.2.4 Direct Memory Access ............................................................................. 34
Chƣơng 3 NGOẠI VI ..................................................................................... 39
3.1 Ngoại vi đa dụng ......................................................................................... 39
3.1.1 Các cổng I/O đa dụng ............................................................................... 39
3.1.1.1 Chức năng thay thế (Alternate Function) ............................................ 41
3.1.1.2 Event Out .............................................................................................. 42
3.1.2. Ngắt ngoại (EXTI) ................................................................................. 42
3.1.3 ADC ........................................................................................................ 43
3.1.3.1 Thời gian chuyển đổi và nhóm chuyển đổi ............................................ 44
3.1.3.2 Analogue WatchDog............................................................................. 46
3.1.3.3 Cấu hình ADC ...................................................................................... 47
3.1.3.4. Dual mode ........................................................................................... 48
3.1.4.1. Cả hai khối ADC cùng hoạt động ở cùng chế độ Regular hoặc Injected
......................................................................................................................... 49
3.1.4.2. Cả hai khối cùng hoạt động ở 2 chế độ Regular và Injected xen kẽ ...... 49
3.1.4.3. Hoạt động xen kẽ nhanh và chậm Regular............................................ 50

3.1.4.4. Chế độ kích hoạt thay thế ..................................................................... 50
3.2.1. Khối Capture/Compare ........................................................................... 52
3.2.2 Khối Capture ........................................................................................... 53
3.2.3 Chế độ PWM Input .................................................................................. 54
3.2.4 Chế độ PWM........................................................................................... 55
3.2.5 Chế độ One Pulse..................................................................................... 56


3.3 Đồng bộ hoá các bộ định thời...................................................................... 56
3.4 RTC và các thanh ghi Backup ..................................................................... 58
3.5 Kết nối với các giao tiếp khác ...................................................................... 59
3.5.1 SPI ........................................................................................................... 59
3.5.2 I2C ........................................................................................................... 60
3.5.3 USART .................................................................................................... 61
3.5.4 CAN ........................................................................................................ 63
3.5.5 USB ......................................................................................................... 65
Chƣơng 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC SỬ DỤNG
ARM-STM32F103 ......................................................................................... 67
4.1 Giới thiệu Kit STM32 STM32F103 ......................................................... 67
4.1.1 Mạch CPU .............................................................................................. 68
4.1.2 Mạch giao tiếp RS232 qua USART1 ..................................................... 69
4.1.3 Mạch cấp nguồn và USB ....................................................................... 69
4.1.4 Mạch giao tiếp với LCD, nạp và gỡ nỗi chương trình qua JTAG, các
mạch giao tiếp CAN/ PS2 ............................................................................... 70
4.1.5 Mạch thẻ nhớ SD/MMC qua giao tiếp SPI ............................................ 70
4.2 Điều khiển động cơ bước với Kit STM32 STM32F103 ......................... 70
4.2.1.Thiết kế mạch Motor Driver: ................................................................. 70
4.2.2. Chương trình điều khiển Step Motor: ................................................... 71
Kết Luận......................................................................................................... 74
Tài liệu tham khảo: ....................................................................................... 75

Lời Mở Đầu
Ngày nay với sự phát triển của ngành điện tử và ứng dụng điện tử đã
giúp sự sáng tạo của con người trở thành hiện thực. Các lĩnh vực của cuộc
sống đều áp dụng những thiết bị điện tử và dường như nhìn đâu trong gia đình
chúng ta cũng có thiết bị điện tử. Ngành điện tử và ứng dụng điện tử đã tạo
chỗ đứng và khẳng định được tầm quan trọng của mình đối với nhu cầu của
con người.
Với những ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ
biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông
định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led ma trận, một
đồng hồ thời gian thực .Đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển
robot, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng
lượng hạt nhân. Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ
khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy
lực, rơle cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các cam
chốt cơ khí. Các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tự động
thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của
các hệ thống nhúng.
Trong nhiều năm trước, các dòng vi điều khiển 8051 được sinh viên
dùng nhiều với tính năng đơn giản, dễ sử dụng; AVR được sử dụng nhiều
trong các cuộc thi Robocon nhờ tốc độ sử lý khá cao, ổn định; PIC với ưu thế
tốc độ cao, chi phí thấp hơn cũng được nghiên cứu, sử dụng nhiều, đặc biệt
trong các cuộc thi lập trình tay nghề khu vực và thế giới. Nhưng trong một vài
năm trở lại đây, có một dịng vi điều khiển mới, càng ngày càng nắm vị trí
quan trọng trong các lĩnh vực đòi hỏi tốc độ xử lý cao như điện tử viễn thơng,
sản xuất các dịng diện thoại di động smartphone, giám sát, an ninh… Đó là
họ vi điều khiển ARM. Với rất nhiều thế hệ ra đời, với nhiều tính năng , cơng

dụng khác nhau.

1


Với nhiều tính năng vượt trội của ARM và xu thế lựa chọn dòng vi điều
khiển mới ở Việt Nam nên trong đề tài nghiên cứu khoa học này, dưới sự giúp
đỡ của Thầy Nguyễn Huy Dũng, em thực hiện đề tài nghiên cứu Ứng dụng
lập trình điều khiển động cơ bước sử dụng chip ARM Cortex M3
STM32F103RC.

2


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ CORTEX
Bộ xử lý Cortex là thế hệ lõi nhúng kế tiếp từ ARM. Cortex thừa kế các ưu
điểm từ các bộ xử lí ARM trước đó, nó là một lõi xử lý hồn chỉnh, bao gồm
bộ xử lí trung tâm Cortex và một hệ thống các thiết bị ngoại vi xung quanh,
Cortex cung cấp phần xử lí trung tâm của một hệ thống nhúng. Để đáp ứng
yêu cầu khắt khe và đa dạng của các hệ thống nhúng, bộ xử lý Cortex gồm có
3 nhánh, được biểu hiện bằng các ký tự sau tên Cortex như sau:
 Cortex-A : bộ vi xử lý dành cho hệ điều hành và các ứng dụng của
người dùng phức tạp. Hỗ trợ các tập lệnh ARM, Thumb và Thumb2.
 Cortex-R : bộ xử lí dành cho các hệ thống địi hỏi khắc khe về tính thời
gian thực. Hỗ trợ các tập lệnh ARM, Thumb, và Thumb-2.
 Cortex-M : bộ xử lí dành cho dịng vi điều khiển, được tối ưu hóa cho
các ứng dụng nhạy cảm về chi phí. Chỉ hỗ trợ tập lệnh Thumb-2.
Con số nằm cuối tên Cortex cho biết mức độ hiệu suất tương đối, với 1 là thấp
nhất và 8 là cao nhất. Hiện nay dòng Cortex-M có mức hiệu suất cao nhất là

mức 3. STM32 dựa trên bộ xử lý Cortex-M3.
1.1. Các phiên bản kiến trúc ARM

Hinh 1.1.Các phiên bản kiến trúc của lõi ARM

3


Tính đến thời điểm hiện tại thì phiên bản kiến trúc mới nhất của lõi ARM
là ARMv7 (Trước đó có ARMv4, ARMv5, ARMv6). Bộ xử lý Cortex-M3 dựa
trên kiến trúc ARMv7 M và có khả năng thực hiện tập lệnh Thumb-2.
1.2 Bộ xử lí Cortex và đơn vị xử lí trung tâm Cortex

Hình 1.2. Kiến trúc vi xử lí ARM Cortex-M3
Thuật ngữ bộ xử lí Cortex (Cortex processor) và đơn vị xử lí trung tâm
Cortex (Cortex CPU) sẽ được sử dụng để phân biệt giữa nhúng lõi Cortex
hoàn chỉnh và bộ xử lí trung tâm RISC nội (internal RISC CPU).
4


1.3 Đơn vị xử lí trung tâm Cortex (Cortex CPU)
Trung tâm của bộ xử lý Cortex là một CPU RISC 32-bit. CPU này có
một phiên bản được đơn giản hóa từ mơ hình lập trình (programmer’s model)
của ARM7/9 , nhưng có một tập lệnh phong phú hơn với sự hỗ trợ tốt cho các
phép toán số nguyên, khả năng thao tác với bit tốt hơn và khả năng đáp ứng
thời gian thực tốt hơn.
1.3.1 Kiến trúc đƣờng ống (Pipline)
CPU Cortex có thể thực thi hầu hết các lệnh trong một chu kì đơn. Giống
như CPU của ARM7 và ARM9, việc thực thi này đạt được với một đường ống
ba tầng. Tuy nhiên Cortex-M3 khả năng dự đoán việc rẽ nhánh để giảm thiểu

số lần làm rỗng (flush) đường ống.

Hinh 1.3. Kiến trúc đường ống của ARM Cortex-M3
1.3.2 Mơ hình lập trình (Programmer’s model)
CPU Cortex là bộ xử lý dựa trên kiến trúc RISC, do đó hỗ trợ kiến trúc nạp
và lưu trữ (load and store architecture). Để thực hiện lệnh xử lý dữ liệu, các
toán hạng phải được nạp vào một tập thanh ghi trung tâm, các phép tính dữ liệu
phải được thực hiện trên các thanh ghi này và kết quả sau đó được lưu lại trong
bộ nhớ.

Hinh 1.4. Kiến trúc load và store của ARM Cortex-M3

5


Tập thanh ghi này bao gồm mười sáu thanh ghi 32-bit.
 Các thanh ghi R0-R12 là các thanh ghi đơn giản, có thể được dùng để
chứa các biến của chương trình.
 Thanh ghi R13 được dùng như là con trỏ ngăn xếp (stack pointer).
Trong CPU Cortex có hai ngăn xếp được gọi là main stack và process
stack.
 Thanh ghi R14 tiếp theo được gọi là thanh ghi liên kết (link register).
Thanh ghi này được sử dụng để lưu trữ các địa chỉ trở về khi một
cuộc gọi thủ tục (call a procedure) được thực hiện. Điều này cho phép
CPU Cortex thực hiện rất nhanh việc nhập và thoát khỏi một thủ tục
(fast entry and exit to a procedure).
 Thanh ghi R15là bộđếm chương trình (Program Counter)

Hinh 1.5. Mơ hình lập trình của ARM Cortex-M3
1.3.2.1 Thanh ghi XPSR

Ngồi tập thanh ghi trung tâm cịn có một thanh ghi riêng biệt được
gọi là thanh ghi trạng thái chương trình (Program Status Register). XPSR chứa
một số các vùng chức năng quan trọng ảnh hưởng đến việc thực thi của CPU
Cortex.

Hinh 1.6. Thanh ghi trạng thái chương trình của CPU Cortex
6


 Năm bit đầu là những cờ mã điều kiện và được gán biệt hiệu (aliased)
như thanh ghi trạng thái chương trình ứng dụng. Bốn cờ N, Z, C,
V (Negative, Zero, Carry và Overflow) sẽ được thiết lập và xóa tùy
thuộc vào kết quả của một lệnh xử lýdữ liệu. Bit Q là được sử dụng bởi
các lệnh toán học DPS để chỉ ra rằng một biến đã đạt giá trị tối đa hoặc
giá trị tối thiểu của nó.
 Giống như tập lệnh ARM32-bit, các lệnh Thumb-2 chỉ được thực hiện
nếu mã điều kiện của lệnh phù hợp với trạng thái của các cờ trong
thanh ghi trạng thái chương trình ứngdụng (Application Program
Status Register). Nếu mã điều kiện của lệnh khơng phù hợp, thì lệnh đi
ngang qua đường ống như là một lệnh NOP (lệnh này khơng làm gì cả).
Điều này đảm bảo rằng các lệnh đi qua đường ống một cách trơn tru và
giảm thiểu làm rỗng đường ống.
1.3.3 Các chế độ hoạt động của CPU
Bộ xử lý Cortex có hai chế độ hoạt động: chế độ Thread và chế độ
Handler. CPU sẽ chạy ở chế độ Thread trong khi nó đang thực thi ở chế độ
nền khơng có ngắt xảy ra và sẽ chuyển sang chế độ Handler khi nó đang thực
thi các ngắt đặc biệt (exceptions).

Ngồi ra, CPU Cortex có thể thực thi

mã trong chế độ đặc quyền hoặc không đặc quyền (privileged or nonprivileged mode). Trong chế độ đặc quyền, CPU có quyền truy cập tất cả các
lệnh. Trong chế độ không co đặc quyền, một số lệnh bị cấm truy cập (như lệnh
MRS và MSR cho phép truy cập vào xPSR và các trường của nó). Ngồi ra,
việc cập các thanh ghi điều khiển hệ thống trong bộ vi xử lý Cortex cũng bị
cấm. Cách sử dụng ngăn xếp (stack) cũng có thể được cấu hình. Ngăn xếp
chính (main stack-R13) có thể được sử dụng bởi cả hai chế độ Thread và
Handler. Chế độ Handler có thể được cấu hình để sử dụng ngăn xếp quá trình
(process stack-R13 banked register).

7


Hình 1.7.Mơ hình hoạt động của chế độ Thread và Handler
Sau khi reset, bộ xử lý Cortex sẽ chạy trong cấu hình phẳng
(flat configuration). Cả hai chế độ Thread và Handler được thực thi trong
chế độ đặc quyền (privileged mode), do đó, khơng có sự giới hạn nào về
quyền truy cập vào bất kỳ tài nguyên của bộ xử lý. Cả hai chế độ Thread và
Handler đều sử dụng ngăn xếp chính.
1.3.4 Tập lệnh Thumb-2
Các CPU ARM7 và ARM9 có thể thực thi hai tập lệnh: ARM 32-bit và
Thumb 16-bit. Điều này cho phép người phát triển để tối ưu hố chương
trình của mình bằng cách lựa chọn tập lệnh nào được sử dụng cho thủ tục
khác nhau: lệnh 32-bit để tăng tốc độ xử lí và lệnh 16-bit để nén mã chương
trình. CPU Cortex được thiết kế để thực thi tập lệnh Thumb-2, là một sự pha
trộn của lệnh 16-bit và 32-bit. Tập lệnh thumb-2 cải tiến 26% mật độ mã so
với tập lệnh ARM 32-bit và 25% hiệu suất so với tập lệnh Thumb 16-bit. Tập
8


lệnh Thumb2 có một số lệnh nhân được cải tiến, có thể thực hiện trong một

chu kì đơn và khả năng thực hiện phép chia bằng phần cứng và chỉ mất từ 27 chu kỳ.

Hình 1.8.Đồ thị biểu diễn hiệu năng của bộ xử lý Cortex
Điểm chuẩn bộ xử lý Cortex (Cortex

processor

benchmark) cho một

mức độ thực hiện là 1,25 DMIPS/MHz, cao hơn so với ARM7 (0.95
DMIPS/MHz với tập lệnh ARM và 0.74 DMIPS/MHz với tập lệnh Thumb) và
ARM9
1.3.5 Bản đồ bộ nhớ (Memory Map)
Bộ xử lý Cortex-M3 là một lõi vi điều khiển được tiêu chuẩn hóa, như
vậy nó có một bản đồ bộ nhớ cũng được xác định. Mặc dù có nhiều bus nội, bản
đồ bộ nhớ này là một khơng gian địa chỉ 4 Gbyte tuyến tính. Bản đồ bộ nhớ
này là chung cho tất cả các thiết bị dựa trên lõi Cortex.

9


Hình 1.9.Bản đồ bộ nhớ tuyến tính 4Gbyte của bộ xử lý Cortex-M3
Một Gbyte bộ nhớ đầu tiên được chia đều cho một vùng mã (code
region) và một vùng SRAM (SRAM region). Khơng gian mã được tối ưu hóa
để thực thi từ bus I-Code. Tương tự, SRAM được nối đến bus D-Code. Mặc dù
mã có thể được nạp và thực thi từ SRAM, các lệnh sẽ được lấy bằng cách sử
dụng bus hệ thống, vì vậy phải chịu thêm một trạng thái chờ (an extra wait
state). Tức là mã chạy trên SRAM sẽ chậm hơn so với từ bộ nhớ Flash trên
chip (on-chip) nằm trong vùng mã. Vùng 0,5 Gbyte tiếp theo của bộ nhớ là
vùng ngoại vi trên chip, tất cả thiết bị ngoại vi được cung cấp bởi nhà sản

xuất vi điều khiển sẽ được đặt tại vùng này. Vùng 1 Mbyte đầu tiên gồm cả
SRAM (màu vàng nhạt) và vùng ngoại vi (màu hồng nhạt) được định địa chỉ
theo bit, sử dụng một kỹ thuật được gọi là dải bit (bit banding). Từ đó tất cả
SRAM và các thiết bị ngoại vi người dùng (user peripherals) trên STM32 được
đặt tại vùng này, và tất cả các vị trí bộ nhớ của những vùng này trên STM32
10


đều có thể được thao tác theo word-wide hoặc bitwise. Không gian địa chỉ 2
Gbyte tiếp theo được phân cho bộ nhớ ngoài- ánh xạ SRAM và thiết bị
ngoại vi (external RAM và external Device). Vùng 0,5 Gbyte cuối cùng
được phân cho các thiết bị ngoại vi bên trong của bộ xử lí Cortex và một khu
vực dành cho các cải tiến trong tương lai của nhà sản xuất chip cho bộ xử lý
Cortex. Tất cả các thanh ghi của bộ xử lý Cortex được đặt ở vị trí cố định cho
tất cả vi điều khiển dựa trên lõi Cortex. Điều này cho phép mã chương trình
dễ dàng được chuyển giữa các biến thể STM32 khác nhau và các vi điều khiển
dựa trên lõi Cortex của các nhà sản xuất chip khác.
1.3.6 Truy cập bộ nhớ không xếp hàng (Unaligned Memory Accesses)
Tập lệnh ARM7 và ARM9 có khả năng truy cập các biến có dấu và
khơng dấu có kích thước byte, half word (thường là 2byte) và word (thường
là 4byte). Điều này cho phép CPU hỗ trợ các biến số nguyên mà không cần
đến thư viện phần mềm hỗ trợ, thường được yêu cầu đối với vi điều khiển 8 và
16-bit. Tuy nhiên, các phiên bản CPU ARM trước đó gặp bất lợi ở chỗ, nó chỉ
có thể truy cập dữ liệu kích thước là word hoặc half word. Điều này hạn chế
khả năng của trình liên kết của trình biên dịch (compiler linker) trong việc
đóng gói dữ liệu vào SRAM và như vậy một số SRAM sẽ bị lãng phí (Việc
lãng phí này có thể lên đến 25% tùy thuộc vào sự kết hợp của các biến được sử
dụng). Bộ xử lí Cortex-M3 có thể truy cập bộ nhớ khơng xếp hàng, việc đó
đảm bảo rằng SRAM được sử dụng một cách hiệu quả.

Hình 1.10.Khả năng truy cập bộ nhớ không xếp hàng của bộ xử lý Cortex-M3
so với các phiên bản CPU ARM trước đó
11


CPU Cortex có các chế độ định địa chỉ cho word, half word và byte,
nhưng có thể truy cập bộ nhớ khơng xếp hàng (unaligned memory). Điều này
cho phép trình liên kết của trình biên dịch tự do sắp xếp dữ liệu chương trình
trong bộ nhớ. Việc bổ sung hỗ trợ tính năng dải bit (bit banding) vào CPU
Cortex cho phép các cờ chương trình được đóng gói vào một biến word hoặc
half-word hơn là sử dụng một byte cho mỗi cờ.
1.3.7 Dải Bit (Bit Banding)
Các phiên bản CPU ARM7 và ARM9 trước đó chỉ có thể thực hiện thao
tác bit trên bộ nhớ SRAM và vùng nhớ thiết bị ngoại vi bằng cách dùng các phép
toán AND và OR. Điều này đòi hỏi thao tác đọc sửa đổi ghi (READ
MODIFY WRITE operation), thao tác này sẽ tốn nhiều chu kì thực hiện để
thiết lập và xố các bit riêng biệt và cần nhiều khơng gian mã cho mỗi bit.

Hình 1.11.Thao tác đọc sửa đổi ghi của ARM7 và ARM9 và kỹ thuật dải bit
của bộ xử lý Cortex-M3
Kỹ thuật dải Bit cho phép bộ xử lí Cortex-M3 thao tác các bit trong khi vẫn
giữ được số lượng bóng bán dẫn ở mức tối thiểu.
Để khắc phục những hạn chế trong các thao tác bit ở CPU ARM7 và
ARM9, có thể đưa ra các lệnh chuyên dụng để thiết lập hoặc xoá bit, hoặc một
bộ xử lý Boolean đầy đủ, nhưng điều này sẽ làm tăng kích thước và sự phức
tạp của CPU Cortex. Thay vào đó, một kỹ thuật gọi là dải bit cho phép thao tác
bit trực tiếp trên các phần không gian bộ nhớ của các thiết bị ngoại vi và
SRAM, mà không sự cần bất kỳ lệnh đặc biệt nào. Các khu vực định địa chỉ bit
12

của bản đồ bộ nhớ Cortex bao gồm vùng bit band (lên đến 1Mbyte bộ nhớ
thực hoặc các thanh ghi ngoại vi) và vùng biệt hiệu bit band (bit band Alias
region) chiếm đến 32Mbyte của bản đồ bộ nhớ. Dải Bit hoạt động bằng cách
ánh xạ mỗi bit trong vùng bit band tới một địa chỉ word trong vùng Alias. Vì
vậy, bằng cách thiết lập và xố địa chỉ word được đặt biệt hiệu (aliased word
address) chúng ta có thể thiết lập và xố các bit trong bộ nhớ thực.

Hình 1.12.Dải bit của vùng bộ nhớ SRAM và các ngoại vi
Dải Bit được hỗ trợ trên 1Mb đầu tiên của khu vực SRAM và ngoại vi .
Nó bao gồm tất cả các tài nguyên của STM32.
Kỹ thuật Bit Banding cho phép thực hiện thao tác bit riêng lẻ mà không cần
bất kì lệnh đặc biệt nào, điều này giữ cho kích thước tổng thể của lõi Cortex
nhỏ nhất có thể. Trong thực tế, chúng ta cần phải tính tốn địa chỉ của các
word nằm trong vùng Bit Band Alias cho một vị trí bộ nhớ nhất định trong
khơng gian bộ nhớ của thiết bị ngoại vi hoặc SRAM. Công thức để tính tốn
alias address như sau:
 Địa chỉ trong khu vực Bit Band Alias = Bit band alias base address + bit
word offset
 bit word offset = Byte offset from bit band base x 0x20 + bit number x 4
1.4 Bộ xử lí Cortex
Bộ xử lí Cortex được tạo thành từ CPU Cortex kết hợp với nhiều thiết bị
ngoại vi như Bus, system timer…

13


1.4.1 Bus
Bộ vi xử lý Cortex-M3 được thiết kế dựa trên kiến trúc Harvard với bus
mã và bus dữ liệu riêng biệt . Chúng được gọi là các bus Icode và Dcode. Cả

hai bus đều có thể truy cập mã và dữ liệu trong phạm vi bộ nhớ từ
0x00000000-0x1FFFFFFF. Một bus hệ thống bổ sung được sử dụng để truy
cập vào không gian điều khiển hệ thống Cortex trong phạm vi 0x20000000 0xDFFFFFFF và 0xE0100000 - 0xFFFFFFFF. Hệ thống gỡ lỗi trên chip của
Cortex có thêm một cấu trúc bus được gọi là bus ngoại vi riêng.
1.4.2 Ma trận Bus
Bus hệ thống và bus dữ liệu được kết nối với vi điều khiển bên ngồi
thơng qua một tập các bus tốc độ cao được sắp xếp như một ma trận bus. Nó
cho phép một số đường dẫn song song giữa bus Cortex và các bus chủ (bus
master) khác bên ngoài như DMA đến các nguồn tài nguyên trên chip như
SRAM và các thiết bị ngoại vi. Nếu hai bus chủ (ví dụ CPU Cortex và một
kênh DMA) cố gắng truy cập vào cùng một thiết bị ngoại vi, một bộ phân xử
nội sẽ giải quyết xung đột và cho truy cập bus vào ngoại vi có mức ưu tiên cao
nhất. Tuy nhiên, trong STM32 khối DMA được thiết kế để làm việc hòa hợp với
CPU Cortex.
1.4.3 Timer hệ thống (System timer)
Lõi Cortex có một bộ đếm xuống 24-bit, với tính năng tự động nạp lại
(auto reload) giá trị bộ đếm và tạo sự kiện ngắt khi đếm xuống zero. Nó được
tạo ra với dụng ý cung cấp một bộ đếm thời gian chuẩn cho tất cả vi điều khiển
dựa trên Cortex. Đồng hồ SysTick được sử dụng để cung cấp một nhịp đập
hệ thống cho một RTOS, hoặc để tạo ra một ngắt có tính chu kì để phục vụ
cho các tác vụ được lập lịch. Thanh ghi trạng thái và điều khiển của SysTick
trong đơn vị không gian điều khiển hệ thống Cortex-M3 cho phép chọn các
nguồn xung clock cho SysTick. Bằng cách thiết lập bit CLKSOURCE,
đồng hồ SysTick sẽ chạy ở tần số đúng bằng tần số hoạt động của CPU.
Khi bit này được xóa, SysTick sẽ chạy ở tần số bằng 1/8 CPU.

14


Hình 1.13. Các thanh ghi trạng thái và điều khiển của SysTick

Đồng hồ SysTick có ba thanh ghi. Giá trị hiện tại và giá trị tải (current value
và reload value) nên được khởi tạo với chu kì đếm. Thanh ghi trạng thái và
điều khiển có một bit cho phép (ENABLE bit) để bắt đầu chạy bộ đếm thời
gian và một bit TICKINT cho phép tín hiệu ngắt.
1.4.4 Xử lí ngắt (Interrupt Handling)
Một trong những cải tiến quan trọng của lõi Cortex so với các CPU ARM
trước đó là cấu trúc ngắt của nó và xử lý các ngắt ngoại lệ (exception handling).
1.4.5 Bộ điều khiển vector ngắt lồng nhau (Nested Vector Interrupt
Controller)
NVIC (Nested Vector Interrupt Controller) là một đơn vị tiêu chuẩn bên
trong lõi Cortex. Điều này có nghĩa là tất cả các vi điều khiển dựa trên lõi
Cortex sẽ có cùng một cấu trúc ngắt, bất kể nhà sản xuất chip là ST, Atmel,
Luminary hoặc NXP...

Hình 1.14. Cấu trúc của NVIC trong bộ xử lí Cortex
15


NVIC cũng được thiết kế để có một độ trễ khi đáp ứng ngắt rất thấp. Đây
là một đặc điểm của chính bản thân bộ NVIC và của tập lệnh Thumb-2, nó cho
phép thực thi các lệnh nhiều chu kì (multi-cycle instructions) như lệnh tải và
lưu trữ nhiều dữ liệu ( load and store multiple instruction) có thể được ngắt khi
đang thực thi. Do đó độ trễ khi đáp ứng ngắt là xác định, với nhiều đặc điểm
xử lí ngắt tiên tiến, nó hỗ trợ rất tốt cho các ứng dụng thời gian thực.
Như tên gọi của nó,NVIC được thiết kế để hỗ trợ các ngắt lồng nhau
(nested interrupts) và trênSTM32 có16 cấp độ ưu tiên ngắt.
Mặc dù NVIC là một đơn vị đạt chuẩn bên trong lõi Cortex, để giữ cho số
bóng bán dẫn ở mức tối thiểu, số đường tín hiệu ngắt đi vào NVIC có thể cấu
hình khi vi điều khiển được thiết kế. NVIC có một ngắt không che mặt nạ
(non-maskable interrupt) và hơn 240 đường tín hiệu ngắt bên ngồi và có thể

được kết nối với ngoại vi người dùng. Ngồi ra cịn có thêm 15 nguồn ngắt bên
trong lõi Cortex, được sử dụng để xử lý các ngắt nội ngoại lệ trong lõi Cortex.
Bộ NVIC của STM32 được tổng hợp với tối đa là 43 đường ngắt che mặt
nạ (maskable interrupt lines).
1.4.5.1 Nhập và thoát khỏi một ngoại lệ của NVIC (NVIC Operation
Exception Entry And Exit)
Khi một ngắt được sinh ra bởi một thiết bị ngoại vi, NVIC sẽ kích khởi
CPU Cortex phục vụ ngắt. Khi CPU Cortex đi vào chế độ ngắt của nó, nó sẽ
đẩy một tập các thanh ghi vào vùng ngăn xếp (stack). Thao tác này được thực
hiện trong vi chương trình (microcode), vì vậy khơng cần viết thêm bất kì lệnh
nào trong mã ứng dụng. Trong khi khung ngăn xếp (stack frame) đang được
lưu trữ, địa chỉ bắt đầu của trình dịch vụ ngắt đã được lấy về trên bus
Icode (instruction bus). Vì vậy, thời gian từ lúc ngắt được sinh ra cho tới khi
lệnh đầu tiên của trình dịch vụ ngắt được thực thi chỉ có 12 chu kỳ.

16


Hình 1.15. Stack frame trong chế độ ngắt
Khi kết thúc q trình phục vụ ngắt, khung ngăn xếp được khơi phục tự
động bởi vi chương trình (microcode), song song với thao tác đó thì địa chỉ trở
về được lấy về, để chương trình nền có thể tiếp tục thực hiện chỉ sau 12 chu kỳ.

Hình 1.16. Đáp ứng thời gian khi một ngắt bất kì xảy ra của Cortex-M3
1.4.5.2

Các chế độ xử lí ngắt cao cấp (Advanced Interrupt Handling

Modes)
Với khả năng xử lý một ngắt đơn rất nhanh, NVIC được thiết kế để xử lý

hiệu quả nhiều ngắt trong một ứng dụng địi hỏi khắc khe tính thời gian thực.
NVIC có một số phương pháp xử lý thơng minh nhiều nguồn ngắt, sao cho độ
trễ giữa các ngắt là tối thiểu và để đảm bảo rằng các ngắt có mức ưu tiên cao
nhất sẽ được phục vụ đầu tiên.
1.4.5.2.1 Quyền ưu tiên ngắt (Interrupt Pre-emption)
NVIC được thiết kế để cho phép các ngắt có mức ưu tiên cao sẽ dành quyền
ưu (pre-empt) so với một ngắt có mức ưu tiên thấp hơn đang chạy.
1.4.5.2.2 Kỹ thuật Tail Chaining trong NVIC
Nếu một ngắt có mức ưu tiên cao đang chạy và đồng thời một ngắt có mức
17


ưu tiên thấp hơn cũng được kích hoạt, NVIC sử dụng một phương pháp gọi là
Tail Chaining để đảm bảo thời gian trễ là tối thiểu giữa các lần phục vụ ngắt.
Nếu hai ngắt được nâng lên, ngắt có mức ưu tiên cao nhất sẽ được phục trước
và sẽ bắt đầu thực hiện chỉ sau 12 chu kỳ xung nhịp kể từ lúc xuất hiện ngắt.
Tuy nhiên, khi đến cuối trình phục vụ ngắt CPU Cortex khơng trở về chương
trình ứng dụng nền, vì vậy mà stack frame của ngắt này khơng được khơi phục,
thay vào đó chỉ có địa chỉ của hàm phục vụ ngắt có mức ưu tiên cao nhất kế
tiếp được lấy về.

Hình 1.17. Đáp ứng thời gian khi hai ngắt xảy ra đồng thời của Cortex-M3
Điều này chỉ mất 6 chu kỳ xung nhịp và sau đó trình phục vụ ngắt kế
tiếp có thể bắt đầu được thực thi. Vào cuối các ngắt đang chờ, ngăn xếp
được khôi phục và địa chỉ trở về được lấy, tiếp đó chương trình ứng dụng nền
có thể bắt đầu thực thi chỉ trong 12 chu kỳ xung nhịp. Nếu một ngắt có mức ưu
tiên thấp xuất hiện trong khi một ngắt khác đang thực thi chuẩn bị thốt khỏi
trình phục vụ ngắt, thao tác POP (lấy dữ liệu từ ngăn xếp) sẽ bị bỏ qua và con
trỏ stack sẽ được cuộn về giá trị ban đầu để có thể tiếp tục lưu trữ stack frame
của ngắt mới xuất hiện, sẽ có một độ trễ 6 chu kỳ xung nhịp cho tới khi địa chỉ

của ISR mới được lấy về. Điều này tạo ra một độ trễ từ 7-18 chu kỳ xung
nhịp trước khi trình phục vụ ngắt mới có thể bắt đầu được thực hiện.

Hình 1.18. Đáp ứng thời gian khi hai ngắt xảy ra lần lượt của Cortex-M3
18


Trong một hệ thống thời gian thực thường xuất hiện tình huống, trong
khi một ngắt có mức ưu tiên thấp đang được phục vụ, thì chỉ có một ngắt có
mức ưu tiên cao hơn xuất hiện. Nếu tình huống này xảy ra trong quá trình
PUSH dữ liệu lên ngăn xếp, NVIC sẽ chuyển sang phục vụ ngắt ưu tiên cao
hơn. Việc PUSH dữ liệu lên ngăn xếp được tiếp tục và sẽ có tối thiểu 6 chu kỳ
xung nhịp tại thời điểm ngắt ưu tiên cao hơn xuất hiện, cho tới khi địa chỉ của
ISR mới được lấy về.

Hình 1.19. Đáp ứng thời gian khi ngắt ưu tiên cao đến sau của Cortex-M3
Sau khi ngắt ưu tiên cao hơn thực hiện xong, ngắt ưu tiên thấp ban đầu sẽ được
nối đuôi (tail chain) và bắt đầu thực hiện sau 6 chu kỳ xung nhịp.
1.4.5.3 Cấu hình và sử dụng NVIC
Để sử dụng NVIC cần phải qua ba bước cấu hình. Đầu tiên cấu hình
bảng vector cho các nguồn ngắt cần muốn sử dụng. Tiếp theo cấu hình các
thanh ghi NVIC để cho phép và thiết lập các mức ưu tiên của các ngắt trong
NVIC và cuối cùng cần phải cấu hình các thiết bị ngoại vi và cho phép ngắt
tương ứng.
1.4.5.3.1 Bảng vector ngắt (Exception Vector Table)
Bảng vector ngắt của Cortex bắt đầu ở dưới cùng của bảng địa chỉ. Tuy
nhiên bảng vector bắt đầu tại địa chỉ 0x00000004 thay vì là 0x00000000 như
ARM7 và ARM9, bốn byte đầu tiên được sử dụng để lưu trữ địa chỉ bắt đầu
của con trỏ ngăn xếp (stack pointer).

19


Type
No

Exception Type

Priority

of

Descriptions

Priority
1

Reset

-

fixed

Reset

3(Highest)
2

NMI

-2

fixed

Non-Maskable Intertupt

3

Hard Fault

-1

fixed

Default fault if other hander
not implemented

4

MemManage

0

settable MPU violation or access to

Fault
5

illegal locations

Bus Fault

1

settable Fault if AHB interface receives
error

6

Usage Fault

2

settable Exceptions due to program
errors

7-10 Reserved

N.A

N.A

11

SVCall

3

settable System Service call

12

Debug Monitor

4

settable Break points watch points,
external debug

13

Reserved

N.A

N.A

14

PendSV

5

settable Pendable request for System
Device

15

SYSTICK

6

settable System Tick Timer

16

Interrupt # 0

7

settable External Interrupt # 0

….

……….

256 Interrupt # 240

………
247

settable

……………………

settable External Interrupt # 240

Hình 1.20. Bảng vector ngắt của Cortex-M3
Mỗi vector ngắt có độ rộng là bốn byte và giữ địa chỉ bắt đầu của trình phục
vụ ngắt tương ứng, 15 vector ngắt đầu tiên là các ngắt đặc biệt chỉ xảy ra trong

lõi Cortex, bao gồm reset vector, non-maskable interrupt, quản lý fault và
error, debug exceptions và ngắt timer của SysTick. Tập lệnh Thumb-2 cũng bao
20


gồm lệnh gọi dịch vụ hệ thống (system service call), khi được gọi, nó sẽ tạo
ra một ngắt đặc biệt. Các ngắt ngoại vi người dùng bắt đầu từ vector 16,
được định nghĩa bởi nhà sản xuất và được liên kết đến thiết bị ngoại vi.
Sau khi cấu hình xong bảng vector ngắt và định nghĩa các ISR
(Interrupt Service Routine), chúng ta có thể cấu hình NVIC để xử lý ngắt
của timer SysTick qua hai bước: thiết lập mức ưu tiên ngắt và sau đó cho
phép ngắt nguồn. Các thanh ghi NVIC nằm trong vùng điều khiển hệ thống
của Cortex-M3 và chỉ có thể truy cập khi CPU đang chạy ở chế độ đặc quyền
(privileged mode).

Hình 1.21. Các thanh ghi trạng thái và điều khiển của NVIC
Các ngắt đặc biệt bên trong Cortex được cấu hình thơng qua các thanh ghi
điều khiển và thanh ghi cấu hình mức ưu tiên của hệ thống, trong khi đó các
thiết bị ngoại vi người dùng được cấu hình bằng cách sử dụng các thanh ghi
IRQ (Interrupt Request). Ngắt của SysTick là một ngắt đặc biệt bên trong
Cortex và được xử lý thông qua các thanh ghi hệ thống. Một số ngắt đặc biệt
khác bên trong lõi Cortex luôn ở trạng thái cho phép, bao gồm các ngắt reset
và NMI (Non-Maskable Interrupt), tuy nhiên ngắt của timer hệ thốngSysTick lại khơng được kích hoạt bên trong NVIC. Để cấu hình ngắt cho
SysTick, chúng ta cần phải cấu hình cho SysTick chạy và cho phép ngắt bên
trong SysTick:

Mức ưu tiên của mỗi exception (ngắt đặc biệt) bên trong Cortex có thể
21

được cài đặt thơng qua các thanh ghi cấu hình mức độ ưu tiên trong hệ thống.
Mức độ ưu tiên của các exception như Reset, NMI và hard fault được cố
định để đảm bảo rằng lõi Cortex sẽ luôn luôn sẵn sàng cho một exception
được biết trước. Mỗi exception có một trường 8-bit nằm trong ba thanh ghi về
mức độ ưu tiên của hệ thống. Tuy nhiên STM32 chỉ thực hiện 16 mức độ ưu
tiên, như vậy chỉ có bốn bit của trường này được dùng. Một điều quan trọng
cần lưu ý là mức ưu tiên được thiết lập bởi bốn bit có trọng số cao nhất.
Mỗi thiết bị ngoại vi được điều khiển bởi các khối thanh ghi IRQ. Mỗi ngoại
vi có một bit cho phép ngắt. Những bit nằm trên hai thanh ghi cho phép ngắt
có chiều dài là 32-bit. Bên cạnh đó cũng có các thanh ghi tương ứng để cấm bất
kì một nguồn ngắt. Ngồi ra NVIC cũng bao gồm các thanh ghi báo
chờ (pending) và kích hoạt (active) cho phép xác định tình trạng hiện tại của
một nguồn ngắt.

Hình 1.22. Cấu hình ngắt cho thiết bị ngoại vi
Chú ý: Mỗi nguồn ngắt có một bit cho phép bên trong NVIC và khối
ngoại vi tương ứng.
Có 16 thanh ghi cài đặt mức ưu tiên ngắt. Mỗi thanh ghi được chia
thành bốn trường có độ rộng là 8-bit để cấu hình mức ưu tiên, mỗi trường đó
được chỉ định cho một vector ngắt nhất định. STM32 chỉ sử dụng một nửa
22